Ontwerp van een pneumatische pers

(1)

DE HAAGSE HOGESCHOOL, VESTIGING DELFT

December 16, 2016

Opgesteld door: Huibert Eduard Pierre Winckers Begeleider: dhr. L. Koeleman

Ontwerp van een pneumatische pers

Modulair ontwerp voor de productie van (kitesurf)boards.

(2)

1

O nt we rp v an ee n pneuma tis che p er s | 12/16/2016

Ontwerp van een pneumatische pers

Modulair ontwerp voor de productie van (kitesurf)boards.

Afstudeerder

Huibert Winckers

Studentnummer: 11079126

11079126@student.hhs.nl

Opdrachtgever/ bedrijfsbegeleider:

Lieuwe Boards

Florian van Rije

florian@lieuweboard.com

Afstudeerbegeleider HHS:

Dhr. L. Koeleman

l.j.m.koeleman@hhs.nl

Assessor HHS:

Dhr. D.E.T. Tiemens

d.e.t.tiemens@hhs.nl

Extern deskundige:

Dhr. Fontijne

(3)

2

O nt we rp v an ee n pneuma tis che pe rs | 12/16/2016

Voorwoord

Deze afstudeerscriptie is het eindrapport van mijn afstudeerstage HBO-werktuigbouwkunde. Het project is tot stand gekomen in opdracht van Lieuwe Boards.

Ter afronding van de studie Werktuigbouwkunde deed ik een technisch onderzoek tijdens een interne stage van 17 weken. Het doel van de afstudeerstage was het aantonen van het kennisniveau en de verworven competenties tijdens de studie. De inhoud van het onderzoek en de gehanteerde werkwijze zijn omschreven in het eindrapport, de afstudeerscriptie.

De afstudeerscriptie is geschreven voor twee belanghebbenden: de opdrachtgever (Lieuwe Boards) en de

onderwijsinstelling (De Haagse Hogeschool). Voor de opdrachtgever is de inhoud vooral informatief en adviserend, voor de onderwijsinstelling moet de inhoud het kennisniveau aantonen en de werkwijze tijdens het project

omschrijven.

Graag spreek ik mijn woord van dank uit aan Lieuwe Boards die mij de gelegenheid en de ruimte hebben gegeven dit onderzoek uit te voeren. Daarnaast wil ik mijn begeleiders, dhr. Koeleman en dhr. Tiemens bedanken voor de feedback en het vertrouwen gedurende het proces. In het bijzonder wil ik Florian van Rije (Production and

Development, Lieuwe Boards) bedanken voor de vrijheid en het vertrouwen in mijn werkzaamheden en de kritische blik op mijn onderzoek.

(4)

3 Inhoud

VOORWOORD ... 2 SAMENVATTING ... 7 VERKLARENDE WOORDENLIJST ... 8 SYMBOLENLIJST ... 9 1.INLEIDING ... 10 1.1OPDRACHTOMSCHRIJVING ... 10 1.2PROBLEEM- EN DOELSTELLING... 10 1.2.1PROBLEEMSTELLING ... 10 1.2.2DOEL ... 10 1.2.3AFBAKENING ... 10 1.3HOOFD- EN DEELVRAGEN ... 11

2.PAKKET VAN EISEN EN WENSEN ... 11

2.1VASTE EISEN ... 11 2.2WENSEN ... 12 3.AANPAK ... 12 4.ORIËNTATIEFASE ... 13 4.1WERKTEAM ... 13 4.2GEBRUIKERS ... 13 4.3TAAKVERDELING ... 13 5.ANALYSEFASE ... 14

5.1TECHNISCH ONDERZOEK HUIDIGE MACHINE ... 14

5.1.1WERKWIJZE ... 14

5.1.2ONDERDELEN EN BEPERKINGEN ... 14

5.2ONTWERPCRITERIA VERVOLG ... 18

5.3BLIJVENDE OPLOSSINGEN ... 18

6.ONTWERPFASE ... 19

6.1ONTWERPEN VAN HET FRAME ... 19

6.1.1ONTWERPKEUZE LIGGERS ... 20

6.1.2ONTWERPKEUZE WANGEN... 21

6.2ONTWERPEN PERSDEEL ONDER ... 22

6.2.1CONSTRUCTIE-EISEN ... 22

6.2.2BASISOPLOSSINGEN ... 22

6.2.3ONTWERPKEUZE PERSDEEL ONDER ... 26

6.3ONTWERPEN PERSDEEL BOVEN ... 26

6.3.1CONSTRUCTIE-EISEN ... 26

6.3.2ONTWERP PERSMECHANIEK ... 27

6.3.3ONTWERP VERSTELBARE KROMMING... 28

6.3.4ONTWERP MET PRESS BLADDER ... 28

6.4VOORLOPIG ONTWERP ... 30

6.4.1KLEMMECHANISME ... 31

6.4.2LIFTMECHANISME EN EINDONTWERP ... 32

7.DETAILFASE ... 34

(5)

4

7.1.1STIJFHEID GEHELE CONSTRUCTIE ... 34

7.1.2VERBREDEN CONSTRUCTIE ... 34

7.1.3PIEKSPANNING STAANDERS ... 35

7.2DETAILLERING ONTWERPFASE ... 35

7.2.1ONTWERP VEERSTEUNEN ... 35

7.2.2ONTWERP MONTAGE LIER ... 36

7.2.3 CONSTRUCTIE ONDERMAL ... 36

7.2.4 POSITIONERING BOVENDEEL ... 36

7.2.5VERBINDINGEN ... 36

7.3VEILIGHEIDSFACTOREN EN EINDANALYSE ... 36

7.3.1HERBEREKENING EN VEILIGHEIDSFACTOREN ... 37

7.4FEM-ANALYSE EINDONTWERP ... 38

8.RESULTATEN ... 39

8.1DEFINITIEVE ONDERDELENLIJST ... 39

8.2VOORLOPIGE BEGROTING ... 40

8.3AFBEELDINGEN EINDONTWERP ... 41

9.CONCLUSIE ... 42

9.1WAT ZIJN DE SPECIFICATIES EN KRITIEKE PUNTEN VAN DE HUIDIGE PERS? ... 42

9.2HOE WORDT DE NIEUWE CONSTRUCTIE VORMGEGEVEN?... 42

9.3WELKE OPLOSSINGEN ZIJN ER EN WELKE VOLDOEN AAN DE GESTELDE EISEN EN WENSEN? ... 43

9.4HOE FUNCTIONEERT HET EINDONTWERP? ... 45

9.5HOE WORDT HET ONTWERP GEREALISEERD? ... 45

10.AANBEVELINGEN ... 46 10.1AANBEVELING INHOUD ... 46 10.2AANBEVELING VERVOLGPROJECT ... 46 11.EVALUATIE ... 47 11.1METHODIEK EN WERKWIJZE... 47 11.2GEMAAKTE FOUTEN ... 47 11.3TERUGBLIK ... 48 12.BRONNEN- EN LITERATUURLIJST ... 49 12.1LITERATUURLIJST ... 49 12.2BRONNENLIJST ... 49 13.BIJLAGEN ... 50 14.REFLECTIEVERSLAG ... 51 14.1COMPETENTIEOVERZICHT VOORAFGAAND ... 51

14.2COMPETENTIES NA HET AFSTUDEREN ... 52

14.2.1PROFESSIONALISEREN ... 52

14.2.2ONTWERPEN ... 53

(6)

5

Figuur 1: frame, huidige boardpers ... 14

Figuur 2: persdeel boven, huidige boardpers ... 15

Figuur 3: persdeel onder, huidige boardpers ... 16

Figuur 4: liftmechaniek, huidige boardpers ... 17

Figuur 5: liftmechaniek, huidige boardpers 2 ... 17

Figuur 7: constructie frame, nieuw ontwerp ... 19

Figuur 6: constructie frame, nieuw ontwerp ... 19

Figuur 8: horizontaal verstelbaar, breed ... 23

Figuur 9: horizontaal verstelbaar, smal ... 23

Figuur 10: verticaal verstelbaar, met kromming ... 23

Figuur 11: verticaal verstelbaar, vlak ... 23

Figuur 12: lineair wisselsysteem, inclusief persmal ... 25

Figuur 13: lineair wisselsysteem, klem en positionering ... 25

Figuur 14: ATL press bladder, bron 1 ... 27

Figuur 15: (brandweer)slangen ... 27

Figuur 16: ontwerp met ATL bladder ... 28

Figuur 17: bovendeel met bladder en kokers ... 29

Figuur 18: bovendeel met warmtemat en persvlak ... 30

Figuur 19: pers, voorlopig ontwerp ... 30

Figuur 20: klemsysteem ... 31

Figuur 21: eindontwerp ontwerpfase ... 33

Figuur 22: voorbeeld persdeel boven met veren ... 35

Figuur 23: FEM-analyse eindontwerp, 250MPa+ spanning ... 38

Figuur 24: FEM-analyse eindontwerp ... 38

Figuur 25: vervormingen eindontwerp ... 38

Figuur 26: spinnenweb competenties Werktuigbouwkunde ... 51

Tabel 1: technische specificaties frame... 14

Tabel 2: onderdelen en functies persdeel boven ... 15

Tabel 3: onderdelen en functies persdeel onder ... 16

Tabel 4: specificaties liftmechaniek ... 17

Tabel 5: beperkingen boardpers ... 17

Tabel 6: eisen en wensen constructie ... 19

Tabel 7: resultaten keuzematrix liggers ... 20

Tabel 8: resultaten keuzematrix liggers 2 ... 20

Tabel 9: resultaten keuzematrix dwarsbalken ... 21

Tabel 10: eisen en wensen persdeel onder ... 22

Tabel 11: basisoplossingen persdeel onder ... 22

Tabel 12: opties ondersteuning oppervlak ... 23

Tabel 13: oplossingen lineaire wisselsysteem ... 25

Tabel 14: keuzematrix lineaire wisselsysteem ... 25

Tabel 15: keuzematrix ontwerp persdeel onder ... 26

Tabel 16: eisen en wensen persdeel boven ... 27

(7)

6

Tabel 18: herberekening massa bovendeel ... 30

Tabel 19: keuzematrix concepten klemmen ... 31

Tabel 20: afmetingen pennen ... 31

Tabel 21: keuzematrix concepten liftsysteem ... 32

Tabel 22: veiligheidsfactoren onderdelen ... 37

Tabel 23: onderdelenlijst pers ... 39

Tabel 24: voorlopige begroting pers ... 40

(8)

7 Samenvatting

Dit rapport is geschreven in opdracht van Lieuwe Boards en behandelt de interne afstudeeropdracht: “Het ontwerpen van een pneumatische pers voor de productie en ontwikkeling van (kitesurf)boards”.

Lieuwe Boards is een bedrijf gericht op de productie van kitesurfboards. Het merk groeit snel in populariteit, om aan de ambities en toekomstige groei te voldoen is het noodzakelijk een nieuwe persmachine te ontwikkelen. De

persmachine wordt gebruikt om het eindproduct (een sandwich van glasvezel en epoxy met een houten kern), tot één geheel te persen en door het toevoegen van warmte in de gewenste vorm te laten uitharden.

Het doel van het project is het ontwerpen van een nieuwe persmachine welke beter functioneert en breder inzetbaar is dan de huidige machine. Voor het ontwerp zijn eerst grove richtlijnen opgesteld, daarna is de huidige machine volledig geanalyseerd en vervolgens is samen met de opdrachtgever een compleet pakket van eisen en wensen opgesteld. Het ontwerpen van de machine gebeurt in vier fasen, eerst wordt het frame ontworpen aan de hand van de verwachtte belasting en ruimtelijke eisen. Daarna wordt het meest bepalende onderdeel ontworpen, het onderste persdeel. Het onderste persdeel bepaalt de vorm van het persvlak en de uitdaging is om een systeem te ontwerpen waarmee deze vorm kan worden aangepast. Na het onderste persdeel is de bovenkant aan de beurt, deze moet perfect aansluiten op de vorm van de onderkant en tevens de perskracht overbrengen. Het exact aansluiten van de boven- en onderkant is noodzakelijk om de druk op het werkstuk overal gelijk te krijgen, de perskracht moet pneumatisch worden opgewekt. Tot slot volgt het ontwerpen van een systeem om de persdelen te fixeren wanneer de machine aan staat en weer van elkaar te scheiden om het werkstuk te wisselen of onderhoud te plegen.

Het ontwerp van de nieuwe persmachine bestaat uit twee wangconstructies met vier lange I-profielen. De onderste profielen zitten vast aan de wangen en ondersteunen het onderste persdeel. De bovenste twee profielen ondersteunen het bovenste persdeel en worden met pennen in de constructie geklemd. De perskracht wordt overgebracht via een luchtzak welke bijna het gehele persoppervlak beslaat, de luchtzak wordt ondersteund door stalen kokers en een vlakke stalen plaat. Het onderste persdeel bestaat uit een dikke metalen plaat waar massieve mallen op geplaatst kunnen worden, deze mallen bepalen de vorm van het persvlak en zijn verwisselbaar. De mallen worden afgedekt door staalplaten en een warmtemat. Het bovendeel van de pers kan voor onderhoud, of het wisselen van de mallen, met een elektrische lier omhoog worden getakeld. Een uitgebreide toelichting op het ontwerpproces, inclusief afbeeldingen en functies van de onderdelen, zijn te vinden in dit rapport en bijlagen.

Dit rapport is het eindproduct van het afstudeeronderzoek en bevat het eindtonwerp van de machine, inclusief een onderdelenlijst en globale begroting. Alle onderdelen zijn gecontroleerd op statische spanning met een

veiligheidsfactor. Daarnaast zijn er verschillende FEM-analyses gemaakt van het eindontwerp. Het eindontwerp voldoet aan alle gestelde eisen en aan een groot deel van de wensen. Het project is nog niet compleet, het advies aan de opdrachtgever is om de machine te controleren volgens alle relevante Europese veiligheidsnormen. Daarna is de het ontwerp gereed en kunnen bouwtekeningen en instructies voor de productie gemaakt worden.

(9)

8 Verklarende woordenlijst

Bladder: De technische benaming voor een luchtzak of ballon die onder druk kan worden gezet.

CAD: “Computer-aided design” computergestuurd ontwerpen.

CNC: “Computer Numerical Control”, een computergestuurde regeling voor machines.

FEM-analyse: “Finite Elements Method/ Eindige Elementen Methode”. Een digitale toepassing waarmee

door middel van een verfijnd verplaatsingsveld de interne spanning en verplaatsing nauwkeurig kan worden bepaald.

ISO: “Internationale Organisatie voor Standaardisatie” een internationale samenwerking welke normen vaststelt, de zogenaamde ISO-normen.

Kite: De vlieger die de kitesurfer gebruikt als voortstuwing.

Kitesurf(en): Een watersport waarbij een persoon zich op een plank, zogenaamd “kitesurfboard” of “kiteboard” voortgetrokken door een “kite” over het water verplaatst. Een persoon die deze sport beoefent wordt een “kitesurfer” genoemd.

Kitesurfboard: Een plank waar een “kitesurfer” met zijn voeten op staat en zich mee door het water verplaatst.

Liftmechaniek: Het systeem dat gebruikt wordt om de persvlakken van elkaar te scheiden in verticale richting.

Modulair: Opgebouwd uit verschillende aanpasbare modules/ onderdelen.

Persdeel: Een benaming voor het onderdeel van de persmachine waar het werkvlak door wordt gevormd.

Persvlak: Het oppervlak van de persmachine waar het werkstuk mee in contact komt.

PLC: “Programmable Logic Controler/ Programmeerbare Logische Eenheid” een elektronische toepassing waarmee verschillende apparaten of schakelingen kunnen worden

geprogrammeerd, aangestuurd en gemonitord.

Pneumatisch: Het overbrengen van kracht of beweging met behulp van luchtdruk.

Stakeholder: Een belanghebbend persoon of gebruiker van het project.

Subdeel Benaming voor een groep samenhangede onderdelen.

Wangen: De raamvormige constructie die de grote onderdelen van de persmachine bij elkaar houdt.

(10)

9 Symbolenlijst

Symbool: Betekenis: Eenheid:

° Graden van een cirkel Numeriek 0-360

°C Graden Celsius Temperatuuraanduiding

kN Kilo newton 1000N (Newton)

MPa Megapascal N/mm2

(11)

10 1. Inleiding

Lieuwe Boards (Lieuwe) is een Nederlands ontwikkelen productiebedrijf gevestigd in Rijswijk. Lieuwe Boards richt zich voornamelijk op het produceren en ontwikkelen van “kitesurfboards”. Kitesurfboards zijn planken waarmee kitesurfers zich, voortgetrokken door een vlieger, over het water verplaatsen. Kitesurfen is een sport ontstaan in 1993 en heeft sinds 2000 een grote vlucht genomen. Het aantal kitesurfers neemt nog steeds toe en er is sprake van een groeimarkt voor kitesurf materialen.

Grofweg bestaat een kitesurfboard uit een verstevigde houten kern met kunststof randen. Eerst wordt de kern van kunststof randen voorzien, daarna wordt aan de boven- en onderkant glasvezel en lijm aangebracht. Vervolgens wordt het geheel tussen 2 vellen hard kunststof geplaatst, deze beschermen het board tegen slijtage en invloed van de elementen. Tot slot wordt het board in een mal geplaatst en onder hogedruk en temperatuur tot één gekromd geheel geperst waarbij tevens de noodzakelijke bevestigingspunten worden verankerd in het board.

1.1 Opdrachtomschrijving

“Het ontwerpen van een pneumatische pers voor de productie en ontwikkeling van (kitesurf)boards”. De

opdrachtgever, Lieuwe Boards, heeft een eigen productielijn in een fabriekshal in Rijswijk. Om te kunnen voldoen aan de ambities voor de toekomst moet er een nieuwe pneumatische pers worden ontwikkeld. Het nieuwe ontwerp moet voldoen aan de door Lieuwe Boards gestelde eisen (paragraaf 2.1) en waar mogelijk voldoen aan de gestelde wensen (paragraaf 2.2).

1.2 Probleem- en doelstelling

De vraag naar een nieuw ontwerp is ontstaan vanuit de ontwikkelingen in het interne productieproces van Lieuwe Boards. De huidige opstelling beperkt de mogelijkheden voor de toekomst vanwege de afmetingen en onderdelen in de constructie (hoofdstuk 5). Omdat de machine geen standaard onderdelen bevat ligt bij falen het productieproces enkele weken stil.

1.2.1 Probleemstelling

De mogelijkheid om verschillende vormen en afmetingen pneumatisch te persen. Hierbij mogen geen drukvariaties in het persvlak optreden, dit veroorzaakt luchtinsluitingen. Voor de uitharding en hechting in het product moet het persvlak op temperatuur kunnen worden gebracht en gehouden. Daarnaast moeten de persvlakken dagelijks worden schoongemaakt en verwisseld kunnen worden. Om nieuwe producten te ontwikkelen moet de vorm van het persvlak aangepast kunnen worden zonder de functionaliteit negatief te beïnvloeden.

1.2.2 Doel

Het ontwerpen van een eenvoudige stijve en doorberekende constructie welke voldoet aan alle gestelde eisen. Daarbij het onderzoeken van verschillende oplossingen om de twee persvlakken te scheiden, de vorm van de persvlakken aan te passen en het risico op druk en temperatuurvariaties te verkleinen. Uiteindelijk een technisch ontwerp opleveren dat voldoet aan de gestelde eisen en waarbij de wensen van Lieuwe Boards zo goed mogelijk worden vervuld.

1.2.3 Afbakening

Als voorbeeld mag de constructie van de huidige machine worden gebruikt, belangrijk is wel dat de technische specificaties van deze machine niet volledig bekend zijn en eerst moeten worden onderzocht.

(12)

11

De constructie moet worden berekend op statische belasting volgens de principes van sterkteleer en worden gecontroleerd op kwaliteit en betrouwbaarheid door middel van FEM-analyses. De constructie wordt getekend en geanalyseerd in Autodesk Fusion 360.

Het project omvat het technisch ontwerp inclusief het keuzeproces van de vrij in te vullen onderdelen. Aan het einde van de afstudeerperiode moet een eindontwerp inclusief onderdelen lijst en technische specificaties worden

opgeleverd.

1.3 Hoofd- en deelvragen

Hoofdvraag

Wat is een ontwerp van een modulaire pneumatische pers voor de productie van (kitesurf)boards, dat voldoet aan de eisen en wensen van Lieuwe?

Deelvragen

- Wat zijn de specificaties en beperkingen van de huidige pers?

- Welke oplossingen zijn er en welke voldoen aan de gestelde eisen en wensen? - Hoe wordt de nieuwe constructie vormgegeven?

- Wat is het eindontwerp en hoe functioneert het? - Hoe wordt het ontwerp gerealiseerd?

- Wat zijn de aanbevelingen en vervolgstappen?

2. Pakket van eisen en wensen

In samenwerking met Lieuwe Boards zijn de volgende eisen en wensen opgesteld voor het project. Enkele eisen volgen rechtstreeks uit het huidige ontwerp, een aantal andere eisen vormen een uitdaging bij het nieuwe ontwerp.

2.1 Vaste eisen

- Minimale afmetingen van het persvlak: 1700x700mm; - Homogene drukverdeling over het persvlak;

- Pneumatische persmechaniek; - Minimale totale perskracht 375kN;

- Instelbare temperatuur van het persvlak: 30 tot 150°C; - Minimale openingsafstand persvlakken: 300mm; - Kromming in het persvlak -10° tot 10°;

- Maximale doorbuiging in lengterichting: 2mm;

- Geen plastische vervorming bij normale werklast: 400kN; - Zelfstandig te monteren.

Toelichting: het persvlak omschrijft het oppervlak wat onder druk komt te staan. Met “homogene drukverdeling” wordt bedoeld dat de druk op elke positie in het persvlak gelijk moet zijn. De openingsafstand is de afstand tussen de 2 persdelen als de machine maximaal geopend wordt.

De kromming in het persvlak is niet te omschrijven in een radius of hoek, aangezien dit een hele flauwe niet constante kromming is. De genoemde hoek is een eis voor de raaklijn tussen het hoogste en het laagste gedeelte.

(13)

12

Zelfstandig monteren houdt in dat het ontwerp uit losse onderdelen bestaat welke in eigen werkplaats geconstrueerd kunnen worden.

2.2 Wensen

- Modulaire kromming van het persvlak; - Perskracht tot 500kN;

- Openingsafstand van de persvlakken tot 500mm; - Wisselsysteem voor de werkstukken;

- PLC programmeerbaar; - Eenvoud;

- Laag storingsrisico.

Toelichting: modulaire kromming van het persvlak omschrijft de mogelijkheid om de vorm van de persdelen aan te passen, bijvoorbeeld van een vlakke plaat naar een lichte kromming.

Het wisselsysteem voor de werkstukken moet ervoor zorgen dat de werkstukken vloeiend in en uit de pers kunnen worden geladen.

Eenvoud is een wens die vooral slaat op het gebruik van standaard onderdelen.

Laag storingsrisico is een wens die moet voorkomen dat de machine veel kwetsbare onderdelen bevat of onderdelen die vaak moeten worden onderhouden. Hierbij dient ook rekening gehouden te worden met lijmstromen die tijdens het persen uit het werkstuk worden gedrukt en op de onderdelen van de pers terecht kunnen komen.

3. Aanpak

Met de kennis uit de opleiding Werktuigbouwkunde, ondersteund door de werken “Ontwerpen van technologische innovaties”, (Souren 2012) en “Industriële productie”, (Kals 2007) is in overleg met Lieuwe Boards de volgende stapsgewijze aanpak gekozen.

Voor het ontwerpproces wordt gebruik gemaakt van de vier fasen uit het boek (Souren, 2012) namelijk: Oriëntatiefase, Analysefase, Ontwerpfase en Detailfase. Omdat het uiteindelijke ontwerp veel oplossingen en onderdelen bevat die invloed op elkaar zullen hebben wordt het ontwerp in vier grove delen opgesplitst. Het is aan de ontwerper om te kiezen voor een geschikte volgorde van de te ontwerpen delen. Het splitsen van het ontwerp moet zorgen voor meer tempo in het proces, en daarnaast zorgen voor een beter functionerend en gedetailleerder eindresultaat.

Eerst vindt de verdieping in het onderwerp plaats door middel van de oriëntatie- en analysefase. De gebruikers en stakeholders worden in kaart gebracht en de huidige machine wordt tot in detail onderzocht. Daarna zullen de aanpak en de specificaties voor de ontwerpfase worden vastgesteld en volgt het ontwerp per onderdeel.

Tot slot wordt het ontwerp getoetst aan de gestelde eisen en wensen in de detailfase, de laatste wijzigingen kunnen worden aangebracht waar nodig. Het eindproduct is een 3d ontwerp in Autodesk Fusion inclusief onderdelenlijst en een voorlopige begroting.

Tijdens het ontwerpen wordt vooral gebruik gemaakt van de 3d tekensoftware, Autodesk Fusion 360 en het boek “Sterkteleer” (Hibbeler, 2006).

(14)

13 4. Oriëntatiefase

De oriëntatiefase geeft een overzicht van de stakeholders tijdens het project. Verder worden de eindgebruikers geïntroduceerd en volgt een taakverdeling.

4.1 Werkteam

Het werkteam van Lieuwe bestaat uit drie personen, met drie kerntaken/verdelingen: - Marketing & Sales: Rik Haenen

- Production and Development: Florian van Rije - Apparel: Roel de Weers

Van dit team richten Florian en Rik zich vooral op productie. Florian draagt hoofdverantwoordelijkheid over het waarborgen van de kwaliteit en het verbeteren van het product. Voor de afstudeeropdracht is Florian dus de belangrijkste interne schakel.

4.2 Gebruikers

De nieuwe machine zal in gebruik worden genomen voor zowel productie als onderzoek en moet dus door kundige en minder kundige werknemers gebruikt kunnen worden.

Stakeholder, constructeur

De constructeur is de persoon die de machine zal assembleren, iets wat in dit geval eenmalig zal zijn. De constructeur heeft dus vooral belangen bij de produceerbaarheid en de gekozen onderdelen, onderstaand een lijst met

aandachtspunten voor de constructeur:

- Overzichtelijk en duidelijk CAD-ontwerp en tekeningen. - Gebruik van standaard ISO-maten, toleranties en markeringen. - Duidelijke assemblage volgorde.

- Verkrijgbaarheid van de benodigde onderdelen en hun eisen. - Belastingen en veiligheidsmarges.

Kundige gebruiker, onderzoeker

De kundige gebruiker van de machine houdt zich bezig met onderzoek en ontwikkeling, in de huidige opzet is dat Florian. Deze gebruiker heeft de behoefte aan vrije bediening van de machine zonder beperkingen. Deze gebruiker moet in staat zijn de gevaren en fouten zelf in te schatten om veilig gebruik te garanderen.

Onkundige gebruiker, werknemer

De onkundige gebruiker is bijvoorbeeld een productiewerknemer zonder achtergrond in de machinebouw/ techniek. Voor deze gebruiker is vooral bedieningsgemak en veiligheid belangrijk. Om ongevallen, schade en fouten in de productie te voorkomen moet het gebruik van de machine vanzelfsprekend zijn.

4.3 Taakverdeling

De verantwoordelijkheid van het project ligt bij de afstudeerder, eens per week is er een officiële meeting met het gehele werkteam. In deze meeting wordt de voortgang van het project besproken en worden de nieuwe doelen voor de week vastgesteld. De afstudeerder heeft in praktijk nauw contact met Florian, die kritisch zal zijn op het proces waar nodig.

(15)

14 5. Analysefase

Tijdens de analysefase wordt onderzoek gedaan naar het probleem en worden verschillende oplossingen aangedragen. Daarna worden specifieke functies en criteria opgesteld voor het ontwerp. Uit de analysefase volgt de definitieve probleemstelling en de basis voor de ontwerpcriteria.

5.1 Technisch onderzoek huidige machine

De huidige machine functioneert momenteel nog en bevat al (deel)oplossingen van het probleem. Daarnaast komen een aantal aspecten van het probleem en de wensen juist voort uit het gebruik van de huidige machine. Om het probleem beter inzichtelijk te krijgen en de huidige (deel)oplossingen te beoordelen, wordt de huidige machine technisch onderzocht.

5.1.1 Werkwijze

De huidige boardpers is gebaseerd op een eerste ontwerp van Lieuwe Boards, en is in de loop der tijd verbetert en aangepast om het gebruiksgemak en het productieresultaat te verbeteren.

Om de boardpers technisch te kunnen beoordelen en de functies en beperkingen in kaart te brengen, worden de onderdelen van de machine in Autodesk Fusion getekend. Het ontwerp wordt vervolgens digitaal nagemaakt zodat alle details en beperkingen inzichtelijk zijn.

5.1.2 Onderdelen en beperkingen

De boardpers is opgedeeld in vier subdelen, het ontwerp en de samenstelling van deze subdelen zijn van grote invloed op de mogelijkheden en beperkingen van de machine. Per subdeel is aangegeven hoe deze is opgebouwd en wat de functionaliteit is van de gebruikte onderdelen. Uitgebreide detaillering en illustraties zijn te vinden in bijlage I.

5.1.2.1 Het frame

De basis van boardpers bestaat uit vier I-profielen welke aan de uiteinden door stalen wang-constructies bij elkaar worden gehouden. Het frame heeft twee hoofdfuncties, namelijk: het opvangen van de krachten van het

persmechanisme en het insluiten van de persdelen.

TABEL 1: TECHNISCHE SPECIFICATIES FRAME

Figuur 1 geeft de opbouw en onderdelen van het frame weer. De I-profielen bovenin hangen los tussen de wangen, hier is het bewegende persdeel aan bevestigd. De overige delen zijn met lasverbindingen gekoppeld. De I-profielen bieden vooral weerstand tegen buiging zodat de persvlakken niet vervormen bij gebruik.

Lengte x breedte x hoogte

(totaal) 1800 x 370 x 870

Maximale doorbuiging 6.9mm (lengterichting) Maximale spanning 482MPa (trekspanning

wangen)

(16)

15

De technische specificaties zijn afgeleid met behulp van vergeet me nietjes voor standaard profielen. De kracht in het systeem is gebaseerd op de belasting die ontstaat bij het persen op 7 bar, de maximaal haalbare druk in het systeem. Tijdens normale productie wordt er niet meer druk gebruikt dan 5 bar, waardoor de doorbuiging en spanning met ongeveer 30% afnemen. Voor uitgebreide gegevens, zie bijlage I.1.

5.1.2.2 Persdeel boven

Het “persdeel boven” is bevestigd aan de twee los hangende I-profielen en bevat onder andere de persslangen die het systeem op druk zetten. Dit subdeel van de pers heeft drie hoofdfuncties:

- Omzetten van de pneumatische druk naar perskracht in het systeem; - Warmte toevoegen aan het persvlak;

- Creeëren van het kromme vlak.

Figuur 2 is een weergave uit Autodesk van het nagetekende “persdeel boven”.

FIGUUR 2: PERSDEEL BOVEN, HUIDIGE BOARDPERS

Het subdeel bevat de volgende onderelen, uitgebreide technische specificaties zijn te vinden in bijlage I.2:

TABEL 2: ONDERDELEN EN FUNCTIES PERSDEEL BOVEN

Onderdeel Toelichting/ functie

MDF persvorm Basisvorm van het persvlak

Drukslangen Overbrengen pneumatische druk

Trespa plaat Hard en glad oppervlak

Staalplaten Bescherming en warmteoverdracht

Kokers Voorkomen van vervormingen

Warmtemat Verwarmen van het persvlak

Veersteunen Bevestigingspunt veren

(17)

16 5.1.2.3 Persdeel onder

Het “persdeel onder” is de constructie die op de twee vaste I-profielen ligt, dit subdeel vervult twee functies: - Vormen van een glad en stijf persvlak;

- Verwarmen van het persvlak.

Het subdeel bestaat uit de volgende onderdelen, uitgebreide specificaties zijn te vinden in bijlage I.3:

TABEL 3: ONDERDELEN EN FUNCTIES PERSDEEL ONDER

Onderdeel Toelichting/functie

MDF persvorm Basisvorm van het persvlak

Trespa tussenplaat Hard maken oppervlak

Kokers Voorkomen van vervormingen

Warmtemat Verwarmen van het persvlak

Staalplaat Bescherming en warmtegeleiding

Figuur 3 is een weergave uit Autodesk van het “persdeel onder”

FIGUUR 3: PERSDEEL ONDER, HUIDIGE BOARDPERS

5.1.2.4 Liftmechaniek

Het “liftmechaniek” omschrijft de techniek die gebruikt wordt om de persdelen van elkaar te heffen wanneer de pers niet in gebruik is of het werkstuk moeten worden gewisseld.

Een grote opening tussen de persdelen zorgt ervoor dat werkstukken makkelijker worden gewisseld. Daarnaast is er dan meer ruimte om de persdelen te onderhouden en schoon te maken.

Het huidige systeem werkt met een luchtbalg tussen het onderste en bovenste persdeel. Om de delen te spreiden wordt de luchtzak onder druk gezet, wanneer de pers weer moet sluiten wordt de lucht weer vrijgelaten. Op onderstaande afbeeldingen is te zien hoe dit systeem werkt.

(18)

17

FIGUUR 5: LIFTMECHANIEK, HUIDIGE BOARDPERS 2

TABEL 4: SPECIFICATIES LIFTMECHANIEK

Soort Details

Massa bovendeel 225kg

Spreiding 70mm

5.1.2.5 Huidige boardpers, compleet

Onderstaand volgt een weergave en samenhang van de subdelen, technische beperkingen van het complete systeem. Extra weergaven van het ontwerp uit Autodesk en afbeeldingen van de machine in de realiteit zijn te vinden in bijlage I.4

TABEL 5: BEPERKINGEN BOARDPERS

Beperking Specificatie Oorzaak

Persoppervlak Maximaal 1500 x 500 Afmetingen frame

Spreidingsafstand Maximaal 70mm Liftmechaniek

Stijfheid Max trekspanning 482 MPa Afmetingen staanders

Doorbuiging Max 6.9mm Afmetingen liggers

Bovenstaande tabel is een beknopte weergave van de beperkende factoren in het ontwerp van de huidige machine, op een aantal punten hebben meerdere onderdelen invloed. Een voorbeeld is het persoppervlak, deze is bepaald op de afmetingen van de persslangen, daarna zijn de afmetingen van het frame bepaald. De temperatuur in het systeem wordt geregeld door elektrische (silicone) warmtematten, deze warmtematten verzorgen een egale

temperatuurverdeling van de persvlakken.

De beperkende factoren in bovenstaande tabel zijn van toepassing als wordt aangenomen dat het systeem niet beperkt is door de keuze van onderdelen.

(19)

18 5.2 Ontwerpcriteria vervolg

Uit de analyse van het bestaande systeem is duidelijk geworden waarom de huidige machine niet voldoet aan de eisen en wensen voor de toekomst en waarom een nieuwe ontwerp noodzakelijk is. Zoals eerder beschreven worden voor het nieuwe ontwerp alle onderdelen die de huidige machine beperken niet overgenomen, zodat deze het

ontwerpproces niet beïnvloeden.

Voor het nieuwe ontwerp splitsen we de machine op in dezelfde delen als hierboven. De ontwerpcriteria van de subdelen gecombineerd met het pakket van eisen zien er dan als volgt uit. De wensen zijn schuin gedrukt.

Frame:

- Ruimte voor twee persdelen met afmeting: 1700x700

- Maximale doorbuiging: 2mm

- Geen plastische vervorming bij normale werklast: 400kN

- Zelfstandige montage mogelijk - Spreiding van de persvlakken tot 500mm

- Wisselsysteem voor de werkstukken

Persdeel boven:

- Minimale perskracht: 375kN - Perskracht pneumatisch opgewekt - Homogene drukverdeling

- Regelbare temperatuur persvlak: 30 tot 150°C - Kromming in het persvlak -10° tot 10° - PLC programmeerbaar

- Modulair kromming van het persvlak

Persdeel onder:

- Homogene drukverdeling

- Regelbare temperatuur persvlak: 30 tot 150°C - Kromming in het persvlak -10° tot 10° - Modulaire kromming van het persvlak

- PLC programmeerbaar

Liftmechaniek:

- Minimale spreiding van de persvlakken: 300mm

- Spreiding van de persvlakken tot 500mm

- PLC programmeerbaar

De wensen “eenvoud” en “laag storingsrisico” gelden voor alle subdelen.

5.3 Blijvende oplossingen

Om het ontwerpproces iets te beperken en het geheel een basis te geven blijven na de analysefase twee delen van het ontwerp staan.

Temperatuurregeling:

In het huidige ontwerp krijgen de persvlakken een stabiele en gelijkmatige temperatuur door middel van elektrische (silicone) verwarmingselementen. Deze warmtematten functioneren zeer goed in de praktijk, hebben een geringe dikte en zijn in iedere maat verkrijgbaar.

Opbouw frame:

Om een basis voor het ontwerp te bieden mag het principe van het huidige frame gebruikt worden, vier stijve profielen met aan beide zijden een wang constructie.

(20)

19 6. Ontwerpfase

In de ontwerpfase worden de vier subdelen uit de analysefase een voor een uitgewerkt. Voor ieder subdeel worden concepten gemaakt en mogelijke oplossingen bedacht welke deels of volledig voldoen aan de gestelde eisen en wensen. Daarna worden de concepten of oplossingen vergeleken, getoetst en samengevoegd tot een voorlopig ontwerp.

6.1 Ontwerpen van het frame

Voor de basis van het frame wordt gebruik gemaakt van het huidige principe, vier lange profielen omsloten door twee wangen. De twee wangen houden het geheel bij elkaar en de vier profielen vormen een stijve constructie bij het persen. Een belangrijk voordeel is dat alle profielen aan dezelfde kracht worden blootgesteld en deze dus van hetzelfde type kunnen zijn.

FIGUUR 7: CONSTRUCTIE FRAME, NIEUW ONTWERP

Bovenstaande afbeeldingen geven de basis van het ontwerp weer, de twee onderste profielen zijn aan de uiteinden verbonden met de wangen. De twee bovenste profielen hangen “los” in de constructie en geven straks steun aan het bovendeel van de pers. De later te ontwerpen “liftmechaniek” en de klemconstructie verbinden het geheel met elkaar.

Vanwege de afmetingen van het persvlak gaan we uit van een lengte van twee meter voor alle liggers en een breedte van 700mm voor het gehele frame.

TABEL 6: EISEN EN WENSEN CONSTRUCTIE

Harde eis Toelichting

Ruimte voor twee persdelen Afmeting: 1700 x 700 mm

Maximale doorbuiging 2mm

Geen plastische vervorming Normale werklast: 400kN

Zelfstandige montage mogelijk Eenvoudige verbindingen

Wensen

Spreiding van de persvlakken Tot 500mm

Wisselsysteem van de werkstukken Ondersteuning voor het wisselen

Eenvoud Beperkt aantal onderdelen

(21)

20 6.1.1 Ontwerpkeuze liggers

Voor de liggers bestaan vier standaard alternatieven. Eerst wordt de belastingsituatie geschetst en vervolgens wordt met behulp van de regels uit de sterkteleer van ieder alternatief de juiste type gekozen.

Het onderzoek met alle berekeningen en details is te vinden in Bijlage II.1. De resultaten van dit onderzoek zijn in onderstaand overzicht te vinden. De profielen worden op de belangrijkste eigenschappen met elkaar vergeleken, waarbij ze genummerd zijn van 1 (hoogste score) tot en met 4 (laagste score).

TABEL 7: RESULTATEN KEUZEMAT RIX LIGGERS

Koker I-profiel T-profiel U-profiel

Type 250x250x10 HEA220 T140x140x15 UNP280

Massa 4. (149kg) 3. (96kg) 1. (62kg) 2. (86kg)

Vlakke delen 1. (4) 3. (2) 4. (1) 2. (3)

Prijs 4. (€666,-) 3. (€135,-) 1. (€111,60) 2. (€116,-)

Uitkomst 9 9 6 6

Het U en T-profiel komen beiden met een 6 als beste uit de eerste keuzematrix. Omdat het constructief eenvoudiger is als het profiel minstens twee vlakke zijden heeft, is besloten om het T-profiel niet te overwegen.

Om te voorkomen dat het U-profiel gaat vervormen wanneer er tijdens het gebruik van de pers meer druk langs de randen ontstaat draaien we het U-profiel 90 graden. Er moet nu een nieuw traagheidsmoment worden bepaald (zie bijlage II,1) en er ontstaat een nieuwe keuzematrix met drie opties:

TABEL 8: RESULTATEN KEUZEMAT RIX LIGGERS 2

Koker I-profiel U-profiel

Type 250x250x10 HEA220 >UNP400

Massa 3. (149kg) 2. (96kg) -

Prijs 3. (€666,-) 2. (€135,-) -

Breedte 2. (250mm) 1. (220mm) -

(22)

21

In deze richting komt het UNP400 profiel maar tot 20% van de benodigde weerstand tegen buiging. De persvlakken krijgen daarnaast een breedte van 700mm. Dit betekent dat zelfs twee UNP400 profielen de constructie al 100mm te breed maken. Om deze reden valt het U-profiel af en wordt het HEA220 profiel gekozen voor de constructie van de liggers.

6.1.2 Ontwerpkeuze wangen

De wangen zijn, zoals te zien in figuur 6, rechthoekige ramen welke de vier liggers insluiten. Voor de meest eenvoudige constructie van de wangen zijn twee lange staanders en twee korte dwarsbalken nodig.

Voor het ontwerpen van de wangen wordt een voorlopige breedte van 700mm aangenomen en een nader te bepalen hoogte. De dwarsbalken worden op buigbelasting berekend voor de meest extreme situatie, een puntlast in het midden en een oplegging aan beide uiteinden. De beperkende factor van de dwarsbalken is wederom de maximale doorbuiging: 2mm. De staanders worden alleen op trek berekend waarbij de trekspanning niet hoger mag zijn de vloeigrens.

Alle technische details en berekeningen zijn te vinden in bijlage II,2. De resultaten van dit onderzoek zijn in onderstaande keuzematrices te vinden.

6.1.3.1 Dwarsbalken wangen

TABEL 9: RESULTATEN KEUZEMAT RIX DWARSBALKEN

Koker I-profiel T-profiel U-profiel

Type 120x120x12 HEA120 T140x140x15 UNP120

Massa 4. (28,3kg) 2. (14,2kg) 3. (21,7kg) 1. (9,6kg)

Vlakke delen 1. (4) 3. (2) 4. (1) 2. (3)

Prijs 4. (€80,-) 2. (€19,-) 3. (€39,-) 1. (€12,7)

Uitkomst 9 7 10 4

De profielen zijn op drie criteria beoordeeld op schaal van 1 tot en met 4, waarbij 1 de beste score is. De laagste uitkomst geeft dus het meest geschikte profiel weer, de twee beste keuzes zijn verder onderzocht.

Vanwege de constructieve eis “zelfstandige montage” is de keuze gevallen op het I-profiel, deze is door het vlakke deel boven en onder goed te verbinden met de staanders.

6.1.3.2 Staanders wangen

De staanders bieden de basis voor de geleiding van het bovendeel en gaan waarschijnlijk een rol spelen in het klemsysteem van het bovendeel. Om deze reden worden voor de staanders kokers gebruikt, deze hebben vier vlakke delen, wat een constructief voordeel biedt. Daarnaast hebben kokers een groot oppervlak in de doorsnede waardoor ze veel trekspanning kunnen opvangen.

Het meest geschikte formaat koker is 80x80x4, bijlage II.2.1 toont de berekeningen die keuze voor de kokers hebben bepaald.

(23)

22 6.2 Ontwerpen persdeel onder

Nu het voorlopig ontwerp van het frame bekend is kan de nieuwe constructie voor het “persdeel onder” worden ontworpen. Het persdeel onder heeft veel invloed op het eindontwerp, de keuze van het verstel- of wisselsysteem beïnvloedt namelijk de opties voor het ontwerp van het bovendeel.

Eerst worden de constructie-eisen voor het persdeel onder herhaald, vervolgens volgt een brainstorm en verdiepend onderzoek naar nieuwe oplossingen. Via een functie-analyse wordt de basis van het ontwerp gelegd en tot slot wordt de voorlopige constructie getekend en samengevoegd.

6.2.1 Constructie-eisen

Onderstaande tabel is een herhaling van de constructie-eisen uit de analysefase. De uitdaging in het nieuwe ontwerp is het ontwikkelen van een verstelbaar systeem zonder daarbij de stijfheid en continuïteit te beïnvloeden.

TABEL 10: EISEN EN WENSEN PERSDEEL ONDER

Harde eis Toelichting

Persvlak minimaal 1700x700 Oppervlakte van het werkvlak

Homogene drukverdeling Gelijk verdeelde druk in het gehele persvlak Regelbare temperatuur: 30 tot 150°C Door middel van warmtematten

Kromming in het persvlak: -10° tot 10° Het persvlak moet een lichte kromming hebben

Wensen

Modulaire kromming van het persvlak Mogelijkheid om de kromming te verstellen

PLC programmeerbaar Temperatuur en kromming PLC regelbaar

6.2.2 Basisoplossingen

Een brainstorm met Lieuwe en het verdiepend onderzoek leveren vier verschillende methoden op waarmee de vorm van het persvlak kan worden aangepast. De volgende tabel geeft deze oplossingen weer, de kernprincipes zijn hierbij aangegeven:

TABEL 11: BASISOPLOSSINGEN PERSDEEL ONDER

Horizontaal verstellen Verticaal verstellen

(bron 20) Hoek aanpassen (bron 21) Lineair wisselen (bron 14)

- Steunen met een hoogteverschil - Per rij horizontaal

verplaatsbaar - In hoogte verstelbare steunen - Vaste positie - Scharnierende steunen - Vaste positie - Vaste massieve mallen - Uitneembaar en wisselbaar Alle oplossingen hebben potentie, alleen “hoek aanpassen” valt direct af omdat dit systeem naar verwachting te complex en/ of te zwak wordt bij een werklast van 400kN. De overige oplossingen worden verder uitgewerkt.

(24)

23 6.2.2.1 Horizontaal en verticaal verstelbaar

Het idee achter het horizontale verstelsysteem is dat er meerdere steunen in een rails staan met elk een verschillende hoogte. Op de steunen komt een stalen plaat te liggen, wanneer de steunen worden verplaatst verandert daarmee de kromming van de plaat. Het principe is in de figuren 8 en 9 zichtbaar:

Het verticaal verstellen heeft veel overeenkomsten met het horizontale systeem, het idee is om met een aantal grote steunen te werken en daar een grote stalen plaat overheen te leggen. Anders dan bij het horizontale systeem staan de steunen nu op een vaste positie en kunnen ze in de hoogte worden versteld, zie figuren 10 en 11.

6.2.2.1.1 Vergroten van het ondersteunde oppervlak

Een belangrijk probleem dat zich voordoet bij deze ontwerpen is dat de plaat bij een kromming in deze situatie altijd op de rand van de steun ligt. Om te voorkomen dat de plaat gaat vervormen of gaat knikken op deze randen, moet het oppervlak op de steun worden vergroot. Uit een brainstorm volgen twee opties welke zijn verwerkt in onderstaande tabel:

TABEL 12: OPTIES ONDERSTEUNING OPPERVLAK

Schuine vlakken op de steun Rolsteunen met 3 poten

Voordelen - Stijve constructie

- Eenvoudig te produceren

- Altijd een goed raakvlak

- Kan worden opgevuld met losse rollen

Nadelen - Nooit de ideale raaklijn

- Grote delen zonder ondersteuning

- Veel onderdelen

- Steunen moeten erg hoog zijn - Grote delen zonder ondersteuning

FIGUUR 8: HORIZONTAAL VERSTELBAAR, BREED FIGUUR 9: HORIZONTAAL VERSTELBAAR, SMAL

(25)

24

6.2.2.1.2 Verstellen van het systeem

Voor beide ontwerpen is nog een systeem nodig om de steunen te kunnen verstellen, voor zowel het horizontaal als het verticaal verstellen gelden de volgende criteria:

Nauwkeurig instelbaar: De steunen moet aan beide zijden op dezelfde afstand of hoogte worden gezet voor de

symmetrie van het eindproduct. Daarnaast moet het systeem eenvoudig in de standaard instellingen kunnen worden teruggebracht.

Sterk: Bij het persen komt een nominale kracht van 400kN op het werkvlak, deze wordt verdeeld over zes rijen met

steunen. Het systeem mag geen nauwkeurigheid verliezen of bezwijken onder deze kracht.

PLC regelbaar (wens): Het is een wens van Lieuwe Boards om het systeem via PLC in te kunnen stellen, zo kan de

kromming eenvoudig met de computer worden ingesteld.

Voor beide systemen blijven enkel mechanische oplossingen over, de opties staan in onderstaande tabel:

Optie 1 Optie 2

Horizontaal Horizontale spindel (bron 7) Horizontale tandrails (bron 15)

Verticaal Verticale tandrails/ trailer jack (bron 19) Verticale spindel (bron 12)

6.2.2.2 Lineaire wisselsysteem

De derde optie om de kromming van het persvlak te verstellen is gebaseerd op een ander en eenvoudiger principe. Voor het lineaire wisselsysteem moet de gewenste kromming worden verkregen door een massieve mal. Deze mal geeft het persvlak vorm, bovenop de mal komt dan de warmtemat en een staalplaat. De constructie onder lijkt dan erg op de huidige variant (zie figuur 3).

De ontwerpcriteria voor het lineaire wisselsysteem:

- Positionering van de mallen; - Vastzetten van de mallen;

(26)

25

Voor de geleiding van de mallen zijn onderstaande opties geschikt, aangevuld met enkele eigenschappen:

TABEL 13: OPLOSSINGEN LINEAIRE WISSELSYSTEEM

Rollen (bron 3) Luchtlagers (bron 18) Gladde plaat (bron 9)

- Goede geleiding - Ruim aanbod - Eenvoudig ontwerp

- Vlakke plaat bij uitgeschakeld systeem

- Geleiding in alle richtingen op het vlak

- Aan en uit te schakelen

- Hard en egaal oppervlak - Eenvoudig/ vervangbaar - Compact

Bovenstaande oplossingen voor het lineair wisselen worden beoordeeld op de criteria in onderstaande tabel, een lage score is beter. De gladde plaat komt overduidelijk als beste oplossing naar voren:

TABEL 14: KEUZEMATRIX LINEAIRE WISSELSYSTEEM

Rollen Luchtlagers Gladde plaat

Eenvoud 2 3 1

Investering 2 3 1

Storingskans 2 3 1

Totaal

₆

₉

₃

Nu moet er alleen nog een oplossing komen voor het positioneren en inklemmen van de massieve mallen. Omdat de mallen op een vlakke stalen plaat worden geschoven, kunnen op deze plaat stalen hoekprofielen worden gemaakt waar de mal tegenaan gedrukt kan worden.

Een eenvoudig en effectief systeem om de mallen vervolgens in te klemmen, is door een van de profielen verstelbaar te maken. Voor het concept wordt een van profielen voorzien van een schroefspindel, verder liggen er langs twee andere zijden metalen kokers om het geheel te positioneren. Uiteraard is één zijkant vrijgehouden om de persmallen in en uit te kunnen laden. Onderstaande figuren tonen het voorlopige ontwerp:

FIGUUR 12: LINEAIR WISSELSYSTEEM, INCLUSIEF PERSMAL

(27)

26 6.2.3 Ontwerpkeuze persdeel onder

In bovenstaande paragrafen zijn de verschillende concepten omschreven die de basis voor het persdeel onder kunnen vormen. In deze paragraaf wordt het meest geschikte concept gekozen door middel van een gewogen en ongewogen keuzematrix. Elk concept krijgt per criterium een score van 1-3 waarbij 3 de beste keuze aangeeft. Het concept met de hoogste eindscore is dan het meest geschikt.

De ongewogen matrix sluit het concept verticaal verstellen direct uit, de twee andere concepten liggen met één punt verschil te dicht bij elkaar. Om een meer overtuigende keuze te kunnen maken krijgt elk criterium een weegfactor (2 t/m 5), deze weegfactoren geven aan hoe belangrijk het criterium is voor de opdrachtgever. De matrices zijn in onderstaande tabel samengevoegd:

TABEL 15: KEUZEMATRIX ONTWERP PERSDEEL ONDER

Ontwerpcriteria Horizontaal

verstelbaar Verticaal verstelbaar Lineair wisselsysteem

Storingsvrij Weging 3 2 6 1 3 3 9 Investering Weging 2 2 4 1 2 3 6 Eenvoud Weging 5 2 10 1 5 3 15 Praktisch Weging 4 3 12 1 4 2 8 Totaal ongewogen Totaal gewogen 9 32 5 13 10 38

De gewogen scores tonen duidelijk aan dat het lineaire wisselsysteem het meest geschikt is voor het ontwerp van het persdeel onder.

6.3 Ontwerpen persdeel boven

Nu de keuze voor de constructie van het persdeel onder en het frame vast staan kan het “persdeel boven” worden ontworpen. Het persdeel boven moet het pneumatische mechanisme bevatten waarmee de benodigde nominale perskracht wordt opgewekt. Daarnaast moet, om de drukverdeling juist te krijgen, de vorm van het persvlak boven overeenkomen met het persvlak onder.

Eerst worden de eisen en wensen die specifiek voor het ontwerp van het persdeel boven gelden herhaald, daarna wordt er naar een oplossing voor de persmechaniek gezocht. Tot slot wordt het beste concept gekozen voor verder ontwerp.

6.3.1 Constructie-eisen

Eerst volgt een herhaling van de constructie-eisen uit de analysefase. Belangrijk is dat voor het persdeel onder een verstelbaar systeem is ontworpen. Om dit systeem nuttig te maken moet ook de bovenkant aanpasbaar zijn.

(28)

27

TABEL 16: EISEN EN WENSEN PERSDEEL BOVEN

Vaste eisen Toelichting

Minimale perskracht: 375kN Verdeeld over het gehele persvlak

Pneumatisch persmechanisme Perskracht wordt verkregen met behulp van luchtdruk

Homogene drukverdeling Gelijke druk over het gehele persvlak

Regelbare temperatuur: 30 tot 150°C Verkregen door warmtematten Kromming gelijk aan het persdeel onder

Wensen

PLC programmeerbaar Perskracht digitaal regelbaar

Modulaire kromming van het persvlak Kromming aanpasbaar

Perskracht tot 500kN Hogere perskracht haalbaar

6.3.2 Ontwerp persmechaniek

De kern van het ontwerp bestaat uit de keuze voor de persmechaniek, de overige onderdelen moeten om deze mechaniek heen worden bedacht.

Bij het pneumatisch persen wordt altijd gebruik gemaakt van een oppervlak dat onder permanente druk wordt gezet, de hoogte van de druk en de grootte van het oppervlak zijn bepalend voor de resulterende perskracht. Een

beperkende factor is de beschikbare maximale luchtdruk van 7 bar, deze kan niet worden opgehoogd. De natuurkundige formule: 𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴 met:

F= kracht in newton P= druk in Pascal A= oppervlak in 𝑚2

Geeft een minimaal benodigd oppervlak van 0.54𝑚2_{, en het vereiste persvlak heeft een oppervlak van 1.19𝑚}2_{. Dit} betekent dat bijna de helft van het persvlak onder druk moet staan om deze minimale eis te halen.

Omdat de wens is dat er een perskracht van 500kN kan worden behaald, is er zelfs nog meer oppervlak nodig. Dit betekent dat het geen optie is om de perskracht met bijvoorbeeld luchtcilinders op te wekken. Een goed alternatief is om het gehele persvlak onder druk te zetten, dan is drukverdeling over het oppervlak ook ideaal.

Om het persvlak volledig onder druk te zetten zijn er twee alternatieven:

FIGUUR 15:(BRANDWEER)SLANGEN FIGUUR 14:ATL PRESS BLADDER, BRON 1

(29)

28

Custom press bladder: ATL (Aero Tec Laboratories) is een Engels bedrijf gespecialiseerd in het maken van

zogenaamde “press bladders”. Deze luchtzakken kunnen volledig naar wens van de klant worden ontworpen en ATL heeft ervaring met het maken van bladders voor persmachines van het voor Lieuwe gewenste formaat.

(Brandweer)slangen: Dit alternatief is gebaseerd op de werking van de huidige persmachine. Omdat het

oppervlak groter wordt dan bij de huidige opstelling, is het wel noodzakelijk om meer of grotere slangen te gebruiken. Overstappen op een alternatief met meerdere smalle slangen zou ook een optie kunnen zijn.

6.3.3 Ontwerp verstelbare kromming

Het idee is om een universeel bovendeel te ontwerpen dat zich automatisch aanpast aan de vorm van het persvlak onder. Dit betekent dat alleen de mallen van het onderste deel verwisseld hoeven te worden wanneer er een ander persvlak nodig is.

In de huidige situatie is de passing tussen de twee persvlakken bepaald door een gefreesde MDF mal boven en onder. Beide mallen hebben een vooraf bepaalde kromming, door het toevoegen van extra lagen (beschermplaten,

warmtemat, kokers) wordt de kromming beïnvloed. Bij het werken met massieve mallen boven en onder is het dus altijd passen en meten om de twee vlakken exact parallel te krijgen.

Een bijkomend voordeel van het werken met een universeel bovendeel is dat de passing altijd juist zal zijn. Om een kromming van -10 tot 10° te kunnen bereiken moet de bladder een bepaalde dikte kunnen bereiken. De lengte van het complete vlak is 1700mm, om het maximale hoogteverschil in de bladder te bepalen wordt onderstaande berekening gedaan:

hoogte = tan(10) ∗0.5 ∗ 𝑙𝑒𝑛𝑔𝑡𝑒 = 149𝑚𝑚

De bladder moet dus minimaal 150mm kunnen uitzetten om aan de gestelde eisen te voldoen.

Omdat slangen een ronde vorm hebben, kunnen deze niet 150mm verdikken zonder oppervlak in de breedte te verliezen. Na contact met ATL is gebleken dat zij een bladder met de volgende afmeting kunnen produceren: 1700x600x200.

6.3.4 Ontwerp met press bladder

Het ontwerp rond de ATL-bladder heeft de volgende eisen: - Vlakke plaat boven, ter bescherming en met montagegaten - Bescherming en ondersteuning onder

Het eerste ontwerp komt er dan als volgt uit te zien, de plaat aan de bovenkant is van staal een heeft zes bevestigingsgaten voor de bladder:

(30)

29

De onderkant van de bladder heeft nu de afmetingen 1700x600, en nog geen bescherming en verwarming. Daarnaast moet nog een oplossing komen om de constructie aan de onderkant te bevestigen. Het vervolg ontwerp moet dus voldoen aan de volgende eisen:

- 700mm breedte;

- Ruimte voor de verwarmingsmat; - Bevestiging constructie onder de bladder.

6.3.4.1 Verbreden van het persoppervlak

Voor het verbreden van het persvlak is een rij stijve profielen nodig. De profielen mogen niet te breed en hoog zijn omdat dit de verdeling van de druk en de vorm de gehele constructie negatief beïnvloed. Daarnaast moet het profiel een hoge weerstand tegen buiging hebben. Met de wetenschap uit het ontwerpen van het frame lijkt het gebruik van kokers het meest voor de hand liggend.

In bijlage II,3 is uitgebreid toegelicht welke belastingen er op de verschillende profielen werken. Een kort overzicht met buigspanningen is in onderstaande tabel weergeven:

TABEL 17: KOKERS VOOR VERBRED ING PERSOPPERVLAK

Koker (h x b x w) 𝒎𝒂𝒙𝝈𝒃𝒖𝒊𝒈 𝒏𝒐𝒎𝝈𝒃𝒖𝒊𝒈

20x20x2 1070MPa 611MPa

30x30x3 474MPa 270MPa

40x40x3 330MPa 189MPa

In overleg met Lieuwe Boards is besloten te kiezen voor de 30x30x3 kokers, de kennis dat deze bij maximale belasting en een verkeerde plaatsing van het werkstuk mogelijk licht plastisch vervormen is hierbij geaccepteerd. Het ontwerp ziet er nu als volgt uit:

FIGUUR 17: BOVENDEEL MET BLADDER EN KOKERS

6.3.4.2 Constructie warmtemat en bevestiging constructie

Het bovendeel moet nog worden voorzien van de warmtemat, daarnaast moeten de kokers en de warmtemat worden bevestigd aan het bovendeel. De bevestiging moet tijdens het persen een verticale beweging van 200mm toestaan. Wanneer de pers uitstaat moeten alle delen echter worden samengetrokken zodat de bladder volledig leeg kan lopen.

(31)

30

De warmtemat wordt aan de onderzijde tegen de kokers aan gelegd en beschermd door een vlakke staalplaat. De staalplaat is tevens de laatste laag, en zal dus ook het persvlak vormen:

FIGUUR 18: BOVENDEEL MET WARMTEMAT EN PERSVLAK

Voor de bevestiging van de constructie wordt het gewicht van de bladder, kokers, warmtemat en beschermplaat ingeschat. Autodesk Fusion 360 komt na het specificeren van de materialen op een (totaal) gewicht van: 250kg. Belangrijk is dat het gewicht van de staalplaat aan de bovenkant hier ook bij zit, daarnaast is de bladder getekend als massief stuk rubber. Onderstaande tabel toont een herberekening:

TABEL 18: HERBEREKENING MASSA BOVENDEEL

Onderdeel Aantal Massa per stuk Totaalmassa

Bladder 1 10kg 10kg

Kokers 30x30x3 49 1.23kg 60kg

Warmtemat 1 2kg 2kg

Onderplaat 1 20kg 20kg

Totaal massa 92kg

De constructie kan bevestigd worden met bijvoorbeeld veren, vanaf de bovenkant van de I-profielen tot onder. De gezamenlijke kracht van de veren moet dan ongeveer 1kN zijn bij 0% rek. Verder moeten de veren een slag hebben van 200mm en een lage veerconstante om de perskracht niet te beïnvloeden.

6.4 Voorlopig ontwerp

Nu in voorgaande paragrafen alle grove delen van de pers zijn gekozen en ontworpen, komt het ontwerp er als volgt uit te zien:

De volgende onderdelen worden nog in de ontwerpfase toegevoegd:

- Klemmechanisme: een systeem om het

bovendeel vast te zetten aan de wangen wanneer de pers gebruikt wordt.

- Liftmechanisme: een oplossing om het boven-

en onderdeel te scheiden voor onderhoud of het

(32)

31 6.4.1 Klemmechanisme

De perstechniek van het bovendeel werkt alleen wanneer de twee I-profielen ingeklemd worden, de bladder heeft immers weerstand nodig aan de bovenzijde om druk op het persvlak te creëren.

Voor het klemmen gelden de volgende eisen:

- Demontabel: Voor het wisselen van de mallen, of onderhoud moet het klemsysteem eenvoudig los

gekoppeld kunnen worden.

- Stijf en sterk: Het klemsysteem mag niet vervormen of bezwijken onder de maximale perskracht.

- Verstelbaar (wens): De mogelijkheid om de hoogte van de klemming aan te passen.

De volgende concepten zijn ontwikkeld, daarna zijn de concepten beoordeeld in onderstaande keuzematrix.

TABEL 19: KEUZEMATRIX CONCEPTEN KLEMMEN

Klemmen met ronde pen Klemmen met tandverloop

(bron 17) Klemmen met staanders

Demontabel 1 2 3

Stijf en sterk 2 3 1

Verstelbaar 2 1 3

Totaal 5 6 7

Klemmen met ronde pen sluit het beste aan bij de eisen en wensen, dit concept wordt verder ontwikkeld. Om te voldoen aan de gestelde eisen is het concept verder aangepast, de details van dit ontwerp zijn te vinden in bijlage II,4. Het resultaat is in onderstaande figuur zichtbaar:

TABEL 20: AFMETINGEN PENNEN

De gekozen pen-diameter is 40mm, de buigspanning bij maximale belasting blijft in deze pen ruim onder de 250MPa en voldoet daarmee aan de gestelde eisen. Deze constructie heeft als bijkomend voordeel dat deze ook de eventuele verplaatsing in de lengterichting tegengaat.

Mb=1.34kN/m Wb 𝝈𝒃 D=30mm _3690𝑚𝑚3 _363MPa D=40mm _6283𝒎𝒎𝟑 _213MPa D=50mm _{12272𝑚𝑚}3 _110spotMPa D=70mm _{33674𝑚𝑚}3 _531MPa FIGUUR 20: KLEMSYSTEEM

(33)

32

De keuze voor dit klemsysteem heeft waarschijnlijk invloed op de spanning in de staanders die niet op deze belasting zijn berekend. De staanders worden uit voorzorg vergroot naar 100x100x10, deze passen nog precies op de I-profielen. In de detailfase zullen FEM-analyses aantonen of deze versteviging voldoende is.

6.4.2 Liftmechanisme en eindontwerp

Het laatste onderdeel van de conceptfase is het ontwerpen van een mechanisme om de persdelen te scheiden. Eerst moet de massa van het complete bovendeel worden bepaald, daarna worden enkele concepten uitgewerkt. Het meest geschikte concept wordt gebruikt voor het eindontwerp.

De massa van het complete bovendeel volgt uit een optelling van de massa van: de I-profielen, de constructie van het liftsysteem en de massa van het eerder ontworpen persdeel boven. De totale massa komt op: 329kg, De extra last door weerstand tijdens het liften is hierin nog niet meegenomen. Daarnaast is het ontwerp nog niet definitief, daarom wordt het liftsysteem ontworpen voor een last van 500kg.

6.4.2.1 Conceptkeuze

De gebruikte concepten zijn met de bijbehorende keuzematrix in onderstaande tabel weergeven, bijlage II,5 geeft een uitgebreide toelichting op de beoordeling van de concepten. Een hoge score is beter:

TABEL 21: KEUZEMATRIX CONCEPTEN LIFTSYSTEEM

Pneumatisch liften (bron 6) Hydraulisch liften (bron 5) Mechanisch liften (bron 5) Hijsen/ takelen (bron 11) Kosten/ investering 2 1 4 3 Symmetrie tijden liften 1 3 2 4 Demontabel 2 1 3 4 Positionerin g 1 3 4 2 Afstand 2 3 1 4 Totaal 8 11 14 17

(34)

33 6.4.2.2 Uitwerking concept hijsen/takelen

Het idee achter het hijsen/ takelen is dat beide uiteinden van het bovendeel een hijsoog krijgen. Beide hijsogen worden voorzien van een kabel welke via een keerwiel bovenop de wangen naar boven wordt geleid. Het eindontwerp komt er dan als volgt uit te zien:

FIGUUR 21: EINDONTWERP ONTWERPFASE

Voor de detailfase van het concept moet eerst nog een keuze worden gemaakt over de plaatsing van de elektrische lier. Er zijn twee opties:

- Plaatsing aan het plafond: Beide uiteinden van het bovendeel zitten aan dezelfde kabel, deze kabel wordt

aan de haak van de lier bevestigd. Het voordeel is dat er geen extra onderdelen nodig zijn. Het nadeel is dat de pers niet gemakkelijk kan worden verplaatst en dat er constructieve eisen aan het plafond en de

plafondbevestiging moeten worden gesteld.

- Plaatsing op de pers: Beide uiteinden zitten aan een eigen kabel, beide kabels zitten opgespannen op

dezelfde liertrommel. Het voordeel is dat de pers in zijn geheel onafhankelijk en verplaatsbaar blijft, er moet echter wel nog een steun voor de lier worden toegevoegd.

Vanwege de voorkeur voor een verplaatsbaar systeem heeft Lieuwe boards de keuze gemaakt om de lier bovenop de pers te bevestigen. De uitwerking volgt in de detailfase.

(35)

34 7. Detailfase

In hoofdstuk 6 is, door het combineren van deelontwerpen het voorlopige ontwerp van de pers ontstaan. Hoewel over alle deelontwerpen op zichzelf goed is nagedacht, worden in de detailfase de harmonie en functionaliteit van het gehele ontwerp onder de loep genomen.

Het doel van de detailfase is het vaststellen en controleren van het definitieve ontwerp. Eerst wordt van het

voorlopige ontwerp een FEM (Finite Element Method)-analyse gemaakt om de werkelijke spanningen en vervorming in de machine in kaart te brengen, waar nodig wordt het ontwerp aangepast. Dit is ook het moment waarop details uit de ontwerpfase worden ingevuld.

Daarna wordt de vernieuwde constructie nogmaals handmatig doorgerekend, nu worden ook de veiligheidsfactoren bepaald. Als laatste volgen de bouwtekeningen, een onderdelenlijst met leveranciers en een kostencalculatie van de benodigde onderdelen.

7.1 FEM-analyse

Op het voorlopige ontwerp zijn enkele FEM analyses uitgevoerd. Voor een FEM-analyse worden eerst de krachten en de verbindingen in het 3d ontwerp toegevoegd. Daarna wordt bepaald hoe nauwkeurig het model moet worden doorgerekend, dit gebeurt door middel van het genereren van een zogenaamde “mesh”. Een mesh is een methode waarbij de onderdelen van de constructie worden opgedeeld in driehoeken naar ingestelde grootte. Meer en dus kleinere driehoeken betekent meer nauwkeurigheid maar ook meer rekenwerk. De computer berekent het verplaatsingen spanningsveld in de bepaalde mesh.

De resultaten uit deze FEM-analyses worden bekeken door de ontwerper, deze trekt conclusies uit verschillende weergaven. Als de analyse geen onverwacht hoge spanningen of verplaatsingen oplevert is het ontwerp in orde, gebeurt dit wel dan zoekt de ontwerper naar een verklaring en een oplossing voor het probleem.

Enkele weergaven van de FEM-analyses voor dit ontwerp zijn te vinden in bijlage III,1. De resultaten die het ontwerp hebben beïnvloed worden in onderstaande paragraaf samengevat. Alle analyses zijn gedaan in de “simulation”

omgeving van Autodesk Fusion 360.

7.1.1 Stijfheid gehele constructie

De eerste belangrijke conclusie uit de FEM-analyse is de beperking in vormstijfheid van de hele constructie, de wangen buigen naar buiten wanneer de constructie belast wordt.

Dit probleem kan worden opgelost door de twee wangen aan de bovenzijde met elkaar te verbinden. Deze verbinding kan dan ook dienen als basis om de lier op te monteren, zie paragraaf 6.4.2.2. Tussen de twee wangen worden kokers geplaatst, zie bijlage III.1.1.

7.1.2 Verbreden constructie

Het ondersteunde vlak in het ontwerp heeft een breedte van 500mm en de persvlakken een breedte van 700mm. Dit betekent dat aan beide zijden van het persvlak 100mm niet ondersteund wordt.

Vooral de constructie boven de bladder is hier niet op berekend, de dunne beschermplaat buigt helemaal om de I-profielen heen, zoals zichtbaar in bijlage III.1.2.

(36)

35

Om de bladder volledig te ondersteunen worden de profielen 100mm verder uit elkaar geplaatst, het ondersteunde vlak heeft nu een breedte 600mm. De wangen worden ook breder gemaakt zodat het geheel weer in elkaar past. Als extra ondersteuning en ter bescherming van de bladder wordt ook nog een 15mm MDF-plaat toegevoegd.

7.1.3 Piekspanning staanders

Zoals vermeld in paragraaf 6.4.1 wordt de klemverbinding ook doorgerekend, in bijlage III.1.3 is het resultaat van deze analyse te zien. Er zit een piekspanning op de verbinding tussen de pen en de staander, deze verbinding moet sowieso worden aangepast. Om de passing en de hardheid van de verbinding te verbeteren wordt een binnenring toegevoegd.

7.2 Detaillering ontwerpfase

In de komende paragraaf worden enkele details uit de ontwerpfase verder uitgewerkt. Voor het vastzetten van de persmechaniek en het liftsysteem moeten nog onderdelen worden ontworpen, verder moeten de afmetingen en enkele maten definitief worden gemaakt. Alle onderdelen die nog veranderen of worden toegevoegd zijn in deze paragraaf te vinden.

7.2.1 Ontwerp veersteunen

In paragraaf 6.3.4.2 (pagina 29,30) is bepaald dat de persconstructie met bijvoorbeeld veren kan worden bevestigd tegen de twee liggers. Lieuwe Boards stelt voor dit idee verder uit te werken. Een voorbeeld van de constructie volgt uit figuur 22, dit is niet het eindontwerp.

FIGUUR 22: VOORBEELD PERSDEEL BOVEN MET VEREN

De constructie wordt gebruikt om de veren aan bevestigen, maar is daarnaast verstevigd met drie poten. De poten en constructie zijn berekend op de situatie waarbij de gehele MDF-plaat onder 7 bar druk komt te staan. Dit heeft twee voordelen, namelijk:

- De constructie blijft heel als de bladder niet goed gepositioneerd is.

- Het bovendeel is nu ook geschikt voor een bladder met een breedte van 700mm. Met dit ontwerp zijn er twaalf identieke veren nodig met de volgende eigenschappen:

- Lengte ongespannen: 250mm - Verlening: 150-200mm - Gezamenlijke kracht: 1kN